創傷性顱腦損傷動物模型及功能磁共振成像技術在其研究中的應用進展

趙博，張雪寧

(天津醫科大學第二醫院，天津300211)

·綜述·

創傷性顱腦損傷動物模型及功能磁共振成像技術在其研究中的應用進展

趙博，張雪寧

(天津醫科大學第二醫院，天津300211)

創傷性顱腦損傷(TBI)發病率在各種創傷中位居首位。應用動物模型模仿人類TBI的特點，可以用來了解人類顱腦損傷的病理狀態并對其進行研究。磁共振成像(MRI)對顱腦成像具有很大的優勢，特別是功能磁共振成像(fMRI)技術，能夠反映腦組織的某些功能狀態，可為了解TBI的病理生理機制、制定治療方案及評估預后提供幫助。

創傷性顱腦損傷；動物模型；磁共振成像；功能磁共振成像

創傷性顱腦損傷(TBI)是現代社會中導致患者死亡或殘疾的主要原因之一。美國及歐洲TBI發生率為200～300/10萬[1]。人類顱腦損傷一般分為局灶性和彌漫性兩大類，局灶性損傷主要為腦挫裂傷，彌漫性損傷主要由鈍性腦外傷引起，兩種損傷常交互作用，但二者導致的病理表現及形態學損害各不相同。為了闡明這些交互作用之間的關系，研究者設計出各種動物模型來模仿人類TBI的特點，其目的是利用動物模型來復制腦外傷的某些病理過程或階段，以用于TBI病理或治療方面的研究。磁共振成像(MRI)對顱腦成像具有很大的優勢，特別是功能磁共振成像(fMRI)技術，能夠反映腦組織的某些功能狀態。本文對TBI動物模型及fMRI技術在其研究中的應用進展作一綜述。

1 TBI動物模型

1.1 慣性加速顱腦損傷模型 當頭部旋轉加速度超過一定界限時，會造成顱腦剪切損傷和(或)變形損傷。交通事故中顱腦損傷患者大部分是由旋轉力造成的彌漫性顱腦損傷。因此，研究人員建立慣性加速顱腦損傷動物模型，對旋轉導致的顱腦損傷進行研究。該模型的實驗對象多選用小豬[2]。目前，對于研究廣泛的深部白質及灰白質連接處的軸索損傷來講，這是惟一被認可的實驗模型[3]。

1.2 固定沖擊顱腦損傷模型 該模型是通過沖擊器產生的機械能量打擊動物的硬腦膜來制造外傷性顱腦損傷。造模時動物的頭部通常保持固定，常使用壓縮空氣作為機械能的來源。這種模型主要是用于復制各種合并硬膜外血腫和(或)硬膜下血腫的局部腦挫傷。

1.3 落重法閉合性顱腦損傷模型 將實驗動物麻醉后放置在裝置臺上，通過自由下落的重物打擊顱腦后產生顱腦損傷[4]。由于重物高度和重量的不同，可以產生從輕到重的各種TBI。對于輕度損傷而言，該模型可以在不出現明顯腦挫傷或局灶性損害的情況下制造類似于腦震蕩的損傷。隨著打擊力度的增加，此模型還可以制造類似于臨床上腦挫傷的顱腦損傷。

1.4 液壓沖擊顱腦損傷模型 液壓沖擊顱腦損傷模型是通過在顱骨上開一個骨窗，然后通過液壓系統對硬腦膜表面進行快速沖擊來對腦組織造成損傷。經過不斷的技術改進，目前此模型已經能夠用來制備各種程度的顱腦創傷[5]。該模型應用的動物是大鼠，能使其產生單側半球損傷。近年來，側方液壓沖擊模型也被廣泛使用，該模型是腦損傷實驗的代表性模型。

1.5 壓縮氣擊法顱腦損傷模型 壓縮氣擊法由Shapira等[6]首先采用，用于復制腦皮質損傷模型。其方法是將大鼠麻醉后，在其頭頂部開窗，保持硬腦膜的完整，在緊貼硬腦膜處安裝一垂直壓縮氣擊裝置，通過其產生的高速運動的空氣沖擊硬腦膜下的腦皮質，引起皮質損傷。氣擊量由氣流速度和形變大小兩個參數決定，實驗時可依據氣擊量來衡量腦損傷的程度，制造不同分級的腦損傷。目前，該方法可以復制多種類型的腦損傷。

1.6 機械震蕩法顱腦損傷模型 該法于1970年被首先報道，其后Tornhein等對該模型加以改進使其更加接近于臨床機械性腦損傷，該模型主要用于復制加速型顱腦損傷，其方法是將麻醉后的貓頭置于一彈簧軟托上，頭的上方安裝一活塞，活塞下面固定一圓形挫盤，挫盤與顱骨之間墊幾塊紗布。通過一個與活塞相連的挫桿，突發沖擊活塞，推動顱骨，使貓頭產生加速運動，造成加速型顱腦損傷[7]。

2 fMRI在TBI動物模型中的應用

近幾年來，fMRI發展迅速，很多新技術和新的成像序列都開始應用于TBI動物模型的研究中，其中以彌散張量成像(DTI)、波譜成像(MRS)及磁敏感加權成像(SWI)技術研究的最為廣泛。

2.1 DTI DTI是利用腦白質中水分子在平行于神經纖維束的方向上較垂直方向上彌散度更高這一特點，對腦白質纖維束進行成像。DTI可以直觀顯示腦組織纖維束損傷，表觀彌散系數(ADC)值和各項異性分數(FA)值是其兩個最重要的參數。ADC值的升高提示存在血管源性水腫，降低則反映存在細胞毒性水腫；FA值則可以評價組織結構的完整性，FA值降低提示神經纖維束被破壞。ADC值和FA值可以作為早期診斷TBI和評估TBI預后的有效指標，而FA值較ADC值更敏感和準確[8]。

DTI還可重建纖維束走行的立體結構，這種技術稱為磁共振彌散張量纖維束成像(DTT)[9]，它可以描繪出腦白質纖維束的走行及空間分布，同時顯示腦內病變對白質纖維束結構的直接或間接影響[10]。目前，應用DTI對動物模型的研究主要目的有兩方面：一方面是早期發現顱腦損傷，顱腦損傷后除了受傷部位的損傷外，其余部位繼發性的腦損傷越來越受到重視，如何能早期檢測出這些損傷是目前臨床面臨的問題。Oron等[11]在動物研究中發現，在常規MRI顯示為正常的腦組織區，FA值也表現為降低，通過測量發現損傷早期白質損傷區FA值明顯下降，并且其下降程度與膠質細胞增生和脫髓鞘相關。另一方面，對出現腦損傷的動物，可通過研究其DTI變化對其預后做出早期判斷。多數研究對于DTI的診斷價值予以肯定。Budde等[12]發現，挫裂傷病灶周圍腦組織各向異性下降。DTI技術是目前惟一的活體評價白質纖維束各向異性的手段，還可用于監測TBI后期神經功能重建情況。DTI對腦損傷中白質損傷的診斷價值非常高，如何通過FA值的變化定量分析腦損傷的程度，是今后研究的重點。

2.2 MRS MRS可以在活體條件下觀察腦內代謝物的變化情況，常被應用于動物模型的研究[13]。MRS是目前惟一一種在無創條件下分析腦組織代謝變化的檢查方法。通過比較TBI患者腦內代謝物濃度的變化，可以評價腦損傷的病情程度及對預后做出準確判斷。

腦損傷發生后，在損傷區域內作為神經和軸索標志物的N-乙酰基天門冬氨酸(NAA)表達下降，血腫在MRS上表現為各種代謝物水平的一致下降[14]。Rubovitch等[15]在大鼠液壓腦損傷模型中首先發現腦外傷可引起腦組織NAA減低。Coudon等[16]研究發現，TBI后24 h內挫傷腦區就可發現NAA降低，并可以檢測到乳酸代謝物。在傷后亞急性期，即使在MRI表現正常的白質區域也可見到NAA降低[17]。Fievisohn等[18]對大鼠感覺運動皮層腦損傷模型進行研究，結果發現傷后NAA/肌酸(Cr)明顯降低，總膽堿(tCho)升高，出現乳酸峰；在彌漫性腦損傷動物模型中發現細胞內游離Mg2+降低。由于代謝物水平與預后相關，Lac峰和mI峰升高與TBI患者預后明顯相關，但其具體的定量關系尚不明了；通過動物實驗的研究和驗證，可以明確其定量關系，進一步確定代謝物水平與預后的關系。

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2.3 SWI SWI是利用不同組織的磁敏感性不同而成像的技術，它采用長回波時間，并且在3個方向上均施加流動補償梯度，該技術成像具有分辨率和信噪比高的特點。SWI技術對于小靜脈、腦組織內鐵質沉積的改變及血液代謝物均十分敏感，目前主要應用在顱腦外傷、腦血管病、腦腫瘤、神經變性等中樞神經系統病變的研究中[19]。

SWI對于能引起彌漫性軸索損傷(DAI)的動物模型是很好的檢測方法。應用SWI可以早期發現顱內的小灶性出血。研究認為，DAI引起的灶狀出血通常很難通過常規影像方法檢測到，僅有約20%的病灶可以在MRI上診斷為出血病灶。但隨著SWI技術應用于腦外傷，人們發現DAI病灶中多數為出血性病灶。這很可能與SWI提高了對出血灶的檢測能力有關[20]。通過應用SWI技術，研究人員在動物模型中可以早期發現顱內出血灶，通過對出血灶信號變化的觀察及研究，可以確定顱腦損傷出血病變的變化時間趨勢，早期給予可靠的治療對策。Sharp等[21]研究發現，SWI對出血性軸索損傷病灶數目和出血量的顯示分別是常規T2加權和2D-GRE序列的6倍和2倍。Park等[22]研究外傷性腦損傷大鼠模型的SWI相位信息，結果顯示SWI可以安全無創地監測外傷性腦損傷的腦血流量及氧飽和度，同時可以顯示深部腦血管的結構。由于SWI技術較為敏感，顱內很多非特異性病灶都會對其產生干擾，如何鑒別這些病灶是目前研究的熱點之一。

總之，TBI是一個復雜的、動態的病理生理過程，根據TBI的不同病理生理過程制備的動物模型也有很多種，各具優劣勢。fMRI技術對于我們更加深入的理解和研究TBI動物模型提供了很好的幫助，隨著研究的深入，這些研究成果終將應用于臨床，為臨床醫生更好地了解TBI的病理生理機制，更準確地制定治療方案和評估預后提供幫助。

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